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50μsの壁を突破!APQ、ロボット向けEtherCATリアルタイム制御最適化ソリューションを提供

50μsの壁を突破!APQ、ロボット向けEtherCATリアルタイム制御最適化ソリューションを提供

技術革新と業界全体の連携により、2025年は「ロボティクスの年」と広く認識されています。ロボティクス業界全体が爆発的な成長を遂げており、多様なアプリケーションシナリオが技術の方向性を差別化し、ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方に対する需要を生み出しています。その結果、リアルタイムモーション制御の要件と実装方法は多様化しています。APQは、ロボティクス分野への深い理解を活かし、ターゲットを絞ったリアルタイム制御最適化ソリューションを開発しました。

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ロボット技術のルートと処理プラットフォームの選択の分岐

二足歩行ヒューマノイドロボットは、複雑な地形への適応性と全身協調動作に優れた人間のような設計を特徴としています。これらのロボットは通常、38~70軸のモーション制御を必要とし、極めて高いリアルタイム性、そして最大1000Hzの制御サイクルを必要とします。APQは、これらのリアルタイム性要件を満たすために、ソフトウェアチューニングを施した高性能X86プロセッサを採用しています。

一方、車輪型またはベース型ロボットは、より軽量なシャーシ設計を採用しているため、コスト管理、動作効率、バッテリー寿命の面で大きなメリットがあります。これらのロボットは通常、約30の自由度を持ち、リアルタイムコンピューティングの要件は低いものの、消費電力の影響は大きくなります。APQは、このカテゴリーにおいて、Intel® N97やJ6412などの低消費電力・低コストのプラットフォームを活用し、包括的なソリューションを構築しています。これにより、電力効率とコストのバランスを保ちながら、X86プラットフォームの豊富な開発エコシステムを活用し、制御システムのリアルタイム性能、安定性、統合性、コンパクト性に関する厳しい要件を満たすことができます。

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APQのEtherCATリアルタイム制御最適化事例

アプリケーションの背景

車輪型/ベース型ロボットは、複雑な軌道制御、多軸リンク、視覚誘導動作などの用途で一般的に使用されます。制御システムは以下をサポートする必要があります。

  • EtherCAT高速バス通信同期サーボ制御用

  • ハードリアルタイムOS1ミリ秒未満の応答

  • コンパクトな工業デザイン狭い配線やキャビネットスペースに適しています

  • 拡張可能なポート多様な周辺機器の統合を可能にする複数のシリアルポートとLANポートを含む

多軸ロボットを開発しているあるお客様は、EtherCATのサポートと高いリアルタイム性能を求めていました。しかし、N97プラットフォームとサーボドライバを用いたテストでは、EtherCATの通信サイクルが50μs未満に抑えられず、量産化に重大なボトルネックとなることが判明しました。

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リアルタイム最適化アプローチ

APQはN97およびJ6412プラットフォームを用いて、システムレベルの完全なリアルタイムチューニングを実行しました。N97プラットフォームのプロセス例:

1. OS を Linux Xenomai 環境に切り替えます。

  • Ubuntu 20.04 + Linux カーネル 5.15

  • リアルタイムパッチ:Xenomai 3.2(LinuxCNCと互換性あり)

  • クライアントのレガシーニーズに合わせて互換性をテスト済み (カーネル 4.19 + Xenomai 3.1)

リアルタイムチューニングの手順:
a) BIOSチューニング
b) リアルタイムカーネルパラメータ最適化(ECI)
c) コマンドラインパラメータの調整 (ECI)
d) OSレベルの詳細なカスタマイズ
e) レイテンシー/ジッター測定

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2. 標準的なリアルタイムテストワークフロー:

  • ツール:レイテンシ、クロックテスト、LinuxCNC テストモジュール

  • ターゲット:

    • レイテンシ: 最大遅延 < 40μs

    • クロックテスト: ドリフト ≈ 0 (結果の 3 列目がゼロに近い)

  • 実行:ハードウェアバッチ全体にわたる複数回のテスト(比較として J6412 を含む)

テスト結果:
Linux Xenomai環境では、制御サイクル時間とジッターが大幅に改善されました。レイテンシは全体を通して40μs未満を維持し、クロックテストのドリフトはほぼゼロとなり、アプリケーションの要求を満たしました。

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実際のアプリケーションの結果

多軸ロボットアーム制御

チャレンジ:
8 軸同期溶接には μs レベルの同期が必要であり、従来のソリューションではドリフトや軌道エラーが発生していました。

最適化:

  • Ubuntu 20.04 + Xenomai 3.2 を搭載した J6412

  • 4x ギガビット LAN を EtherCAT サーボに直接接続

  • Isolcpus専用リアルタイム処理コア

結果:

  • 同期精度:クロックテストドリフト≤0.05μs; 最大軌道偏差<0.1mm

  • リアルタイム保証:72時間連続動作、ピークレイテンシ≤38μs

  • コスト削減:i5ソリューションに比べてコストが35%低く、消費電力が60%少ない

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四足歩行ロボット犬のモーションコントロール

チャレンジ:
12関節の​​動的バランス調整にはμsレベルのフィードバックが必要であり、従来のシステムでは100μsを超える遅延により不安定性が生じていた。

最適化:

  • N97 + ゼノマイ 3.2

  • PREEMPT_RT + ECI パッチ

  • サーボタスク用に2つのCPUコアを分離したCmdline

結果:

  • 低遅延:制御サイクルは500μs以内、レイテンシは35μs以下

  • 堅牢性:-20°C回復テストでは、ジッター<±8μs

  • 拡張性:M.2経由のIMUセンサー。i3ベースのソリューションに比べて60%の電力節約

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展開オプション

リアルタイムパフォーマンスに重点を置く技術的に優れたクライアントには、APQは以下を推奨します。Linux + ゼノマイ導入。すぐに使える利便性を好むエンドユーザー向けに、APQはプリインストールされ最適化されたシステムイメージデバッグドキュメントにより、導入の障壁が低くなります。

ロボットが手作業の代替をますます進めるにつれて、リアルタイム、安定性、費用対効果の高い制御システム成功には、こうしたニーズが不可欠となります。APQは、ハードウェアとソフトウェアを統合したソリューションを通じてこのニーズに対応し、ロボットのエッジコンピューティングとモーションコントロールへの注力をさらに深めていきます。これにより、より多くの産業顧客に、安定性、効率性、そして容易に統合できる組み込みプラットフォームを提供できるようになります。

当社および当社製品にご興味がございましたら、お気軽に海外担当者のロビンまでお問い合わせください。

Email: yang.chen@apuqi.com

WhatsApp: +86 18351628738


投稿日時: 2025年7月28日